王 純 亮

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州　450000)

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引洮單護(hù)盾TBM適應(yīng)性改造分析

王 純 亮

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450000)

分析了引洮供水一期7號隧洞使用的單護(hù)盾TBM在砂層掘進(jìn)中遭遇卡機(jī)的原因，結(jié)合工程地質(zhì)的適應(yīng)性，對TBM的刀盤和盾體進(jìn)行了改造，并闡述了具體的改造方式，指出改造后的TBM能適應(yīng)后續(xù)的地層特性，解決了TBM擴(kuò)挖、滾動和防卡等問題。

隧洞，TBM，刀盤，盾體

0　引言

引洮供水一期工程總干渠7號隧洞工程位于甘肅省渭源縣境內(nèi)，隧洞全長17 286 m。設(shè)計斷面圓形，主要采用單護(hù)盾TBM施工。設(shè)計開挖直徑5.75 m。7號隧洞位于白堊系、上第三系地層之中。隧洞地質(zhì)條件極其復(fù)雜，圍巖相變劇烈。隧洞穩(wěn)定性較差，巖性以軟巖、極軟巖為主，局部洞段地下水活動強(qiáng)烈，地下水具多層結(jié)構(gòu)，具有承壓性，地下水受構(gòu)造、地層巖性控制，分布與富集變化較大。

TBM選用沈重與NFM聯(lián)合制造的單護(hù)盾施工。TBM從隧洞出口向隧洞進(jìn)口施工，當(dāng)TBM掘進(jìn)2 800 m后遭遇飽水疏松砂巖，出現(xiàn)突泥涌沙導(dǎo)致TBM盾體內(nèi)部被泥沙掩埋。機(jī)器恢復(fù)后盾體姿態(tài)嚴(yán)重下栽，盾體被泥沙包裹推力較大，安裝的管片破損嚴(yán)重，導(dǎo)致TBM掘進(jìn)受阻。最終決定將TBM后配套拆除至進(jìn)口，從隧洞進(jìn)口向隧洞出口方向施工。由于TBM刀盤和盾體無法從隧洞拆除，進(jìn)口施工采用新的刀盤和盾體。

結(jié)合TBM在出口的施工和進(jìn)口的地質(zhì)情況，對新的刀盤和盾體設(shè)計做了改進(jìn)。改進(jìn)后的刀盤和盾體更加適應(yīng)本工程地質(zhì)，使施工連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

1　刀盤改造分析

1.1刀盤掘進(jìn)雙向旋轉(zhuǎn)

在掘進(jìn)的過程中，盾體受到反作用力產(chǎn)生滾動。由于刀盤在掘進(jìn)的過程中只能順時針旋轉(zhuǎn)，盾體一直為逆時針滾動。為了抑制盾體的滾動，須調(diào)整推進(jìn)油缸的角度。這樣推進(jìn)油缸就會產(chǎn)生一個圓周方向的力作用在管片上，直接導(dǎo)致管片滾動。只有刀盤在掘進(jìn)過程中采用雙向旋轉(zhuǎn)，才能解決管片滾動問題。

刀盤在設(shè)計時采用了雙向刮碴口。

雙向刮碴口的出碴，TBM在掘進(jìn)過程中可以雙向旋轉(zhuǎn)，這樣便不需要調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸的角度，而是利用刀盤的雙向旋轉(zhuǎn)來調(diào)整盾體的滾動。有效的解決了不能打扭矩高貫入度掘進(jìn)的問題。

1.2邊刀布置方式

原刀盤設(shè)計共計42把刀具。中心刀為4把雙刃滾刀，正滾刀31把，邊刀3把。刀號M40號，M41號和M42號為邊刀，在最外圈同一軌跡上。后因刀盤在制造時刀具軌跡出現(xiàn)偏差，后將M39號刀具的開挖半徑調(diào)整為2 887.5 mm，M42號刀具開挖半徑調(diào)整為2 902 mm。經(jīng)過調(diào)整后正常開挖時，最外圈為2把邊刀，即M40號和M41號。M39號和M42號作為連續(xù)掘進(jìn)擴(kuò)挖刀具，平時不安裝刀具，若需要擴(kuò)挖時再安裝刀具。

新的刀盤設(shè)計為39把刀具。中心刀為4把雙刃滾刀，正滾刀30把，邊刀1把。

1.3邊刀擴(kuò)挖形式

原刀盤M39號，M41號和M42號刀座設(shè)計為可移動刀座(見圖1)。刀座與刀盤采用螺栓連接。若需要擴(kuò)挖時，拆除連接螺栓，再將刀座移動到所需的開挖半徑位置。

由于原刀盤在工廠制造時出現(xiàn)刀具軌跡偏差，后將M39號和M42號移動刀座固定在開挖半徑為2 887.5 mm和2 902 mm的位置。正常掘進(jìn)時M39號和M42號刀孔不安裝刀具，用鋼板將刀孔封住。若需要擴(kuò)挖時，在此刀孔安裝刀具即可。

新的刀盤設(shè)計的擴(kuò)挖形式采用墊塊模式。擴(kuò)挖半徑可以加大15 mm，25 mm和50 mm。每個加高間距需要加高5把刀具，M35號～M39號。針對不同的加高半徑，M35號～M39號都需加裝不同高度墊塊，以保證刀盤圓弧區(qū)域平滑的開挖輪廓線(見圖2，圖3)。

原設(shè)計的移動刀座的擴(kuò)挖方式，操作比較繁瑣，在單護(hù)盾刀盤不能后退的情況下，在刀盤內(nèi)部移動刀座困難。刀座移動也不能保證圓弧區(qū)域的刀尖輪廓線平滑過渡。采用墊塊方式，操作簡單，圓弧區(qū)域的刀具軌跡和刀間距能實現(xiàn)平滑過渡。

1.4刀盤結(jié)構(gòu)形式

原刀盤按照硬巖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，刀盤結(jié)構(gòu)過于偏重，不適合在疏松的圍巖使用。

1)新的刀盤優(yōu)化了刀盤的厚度(從法蘭面到滾刀刀尖的長度)。原設(shè)計長度為1 995 mm，新的刀盤減少到1 818 mm。2)從前盾前沿到刀盤刀尖的距離也由原來的960 mm減少到765 mm。由于刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，刀盤在疏松的巖層中掘進(jìn)，大大減少了圍巖對刀盤產(chǎn)生的切削阻力。刀盤的重量從原來的80 t減少到60 t，大大緩解了由于盾體較長，刀盤和前盾“栽頭”現(xiàn)象。

1.5刀盤表面耐磨層

原刀盤表面的耐磨層采用10 mm厚hardox400鋼板，在砂巖中刀盤面板磨損較大。新的刀盤面板采用的是SA1750CR碳化鉻復(fù)合板，以增加其耐磨性。SA1750CR碳化鉻復(fù)合板，采用的是特殊的生產(chǎn)工藝及化學(xué)配方,其耐磨層主要化學(xué)成分：碳：4%～5%，鉻：30%～40%，基板厚度為實際厚度，基板與耐磨層的稀釋率：1 mm左右，耐磨層至基板的硬度梯度為700 HV左右。

2　盾體的改造分析

2.1前盾形式

前盾上部比下部長400 mm，如圖4所示。這樣加大了刀盤圓周方向刮碴口的進(jìn)碴能力，可以提高TBM的掘進(jìn)速度。在高貫入度情況下，前盾喇叭口處的碴堆積量較少，減少邊刀弦磨。

2.2盾體注射孔

在盾體周邊開設(shè)注射孔，在圍巖出現(xiàn)坍塌或收斂時利用注射孔向盾體外壁注廢油或膨潤土，以減少盾體和圍巖的摩擦阻力。

2.3推進(jìn)油缸布置優(yōu)化

原推進(jìn)油缸分上下左右4個工作區(qū)域，共計16根，每區(qū)4根。新設(shè)計的推進(jìn)油缸仍按照4區(qū)分布，底部區(qū)域增加1根推進(jìn)油缸(見圖5)。

增加的推進(jìn)油缸的油路并聯(lián)在底部一組的推進(jìn)油缸，在油缸的兩個腔的進(jìn)出油口處安裝球閥，需要使用時將球閥打開即可。增加的推進(jìn)油缸在正常地質(zhì)洞段掘進(jìn)時不使用。在以下情況下使用：

1)在TBM遇到坍塌或圍巖收斂時，需要增加推力時使用；2)調(diào)整TBM掘進(jìn)姿態(tài)時，需要加大底部油缸與頂部油缸推力差時使用。

2.4盾尾結(jié)構(gòu)形式

由于底管片底部45°為支墩，由此尾盾設(shè)計為底部60°開口。原盾尾設(shè)計時底部120°區(qū)域為40 mm鋼板，上部240°為50 mm。

改造后的盾尾60°～90°區(qū)域為25 mm鋼板，90°～120°區(qū)域為40 mm鋼板。改造后的盾尾加大了盾尾間隙，有效的提高了管片安裝質(zhì)量(見圖6)。

2.5前盾設(shè)置延伸護(hù)盾安裝孔

在前盾前沿上部150°區(qū)域開設(shè)兩排直徑為33 mm的孔。若遇到疏松的砂巖時，可以快速將前盾延伸。前盾延伸后可以有效減少圍巖對刀盤產(chǎn)生的切削阻力，TBM則能在含水率較低的疏松砂層中順利掘進(jìn)(見圖7)。

3　結(jié)語

引洮單護(hù)盾TBM盾體和刀盤的改造有效克服了原設(shè)計的缺陷，也克服了單護(hù)盾TBM的固有問題。但是改造后的TBM只能在圍巖可以自穩(wěn)、含水率小于15%的地質(zhì)洞段掘進(jìn)。在本工程內(nèi)遇到的突泥涌沙地質(zhì)洞段則不能通過。若想通過類似地質(zhì)洞段則TBM需要有盾構(gòu)保壓模式，即雙模式TBM。由于本工程受管片設(shè)計和盾尾開口等多方面因素，無法實現(xiàn)TBM的雙模式切換，則在突泥涌沙地質(zhì)洞段受阻。

[1]孫晉勇.引洮工程單護(hù)盾TBM刀盤正反轉(zhuǎn)出渣適應(yīng)性改造[J].華東科技，2013(2)：445- 446.

[2]吳樂.單護(hù)盾TBM管片旋轉(zhuǎn)問題及應(yīng)對措施[J].隧道建設(shè)，2012(6)：32-33.

On analysis of TBM adaptability reconstruction of single shield in Taohe River Water Diversion project

Wang Chunliang

(ChinaRailwayTunnelCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper analyzes the reasons for the jammed single shield TBM in sand jacking in No.7 tunnel of the first phase of Taohe River Water Supply, undertakes the reconstruction for the cutter and shield of TBM by combining with the geological adaptability, illustrates the reconstruction approaches, and points out the stratum features after its adaptability of TBM after the reconstruction, so as to solve some problems in the expanding excavation, rolling and jamming resistance.

tunnel, TBM, cutter, shield

1009-6825(2016)08-0199-02

2016-01-09

王純亮(1981- )，男，工程師

U455.43

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